Як працюють синхронні машини?
Магнітне поле в синхронній машині створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження. Потреба в джерелі постійного струму для живлення обмотки збудження - дуже суттєвий недолік синхронних машин.
Схема синхронного генератора.
Зазвичай обмотки збудження отримують енергію від генератора постійного струму паралельного збудження (збудника), що знаходиться на одному валу з основною машиною.
Його потужність становить 1-5% потужності синхронної машини. При невеликій потужності широко використовуються схеми живлення обмоток збудження синхронних машин з мережі змінного струму через випрямлячі.
Принцип дії синхронного генератора заснований на використанні закону електромагнітної індукції. На рис. 1 показана найпростіша трифазна обмотка, що складається з трьох котушок, зсунутих на 120 ° і поміщена на роторі (якорі).
Малюнок 1. Принцип дії синхронного генератора.
Котушки зєднують між собою в зірку або трикутник і підключають до трьох контактних кілець, на яких поміщають нерухомі щітки. У котушках при обертанні якоря индуктируются змінні в часі ЕРС, рівні по амплітуді і зсунуті по фазі на 2/3.
Сучасні синхронні генератори виготовляють на лінійну напругу до 16000 В (іноді і вище), ізоляція контактних кілець і щіток яких представляє собою велику складність. Основний недолік такої конструкції - наявність ковзного контакту в ланцюзі основний потужності машини. Для його виключення обмотку якоря, т. Е. Індуковану частина, поміщають на статорі, а полюсну систему з обмоткою збудження - на роторі машини.
Обмотка збудження живиться через контактні кільця. В цьому випадку ковзний контакт знаходиться в ланцюзі малої потужності і напруга в колі обмотки збудження відносно невелике (не більше 500 В).
Статор синхронної машини має такий же пристрій, як і статор асинхронної машини.
Залежно від пристрою ротора, розрізняють дві конструкції синхронних машин:
Малюнок 2. Схема пристрою ротора з явновираженнимі (а) і неявновираженнимі (б) полюсами.
- з явновираженнимі полюсами;
- з неявновираженнимі полюсами.
У машинах з відносно малою частотою обертання ротори виконують з явновираженнимі полюсами. На роторі (рис. 2 а) рівномірно поміщають явновираженние полюси, що складаються з полюсного сердечника 1, на якому розташована котушка обмотки збудження 3, утримувана полюсним наконечником 2. Такий пристрій ротора полегшує виконання обмотки збудження, але при великій частоті обертання не може бути використано, тому що не забезпечує потрібної механічної міцності.
Тому при великій частоті обертання ротори виконують з неявновираженнимі полюсами (рис. 2 б). Такий ротор виготовляють у вигляді циліндра, на частині поверхні якого є пази. У пазах укладають провідники обмотки збудження, потім пази заклинивают і лобові зєднання обмотки збудження стягують сталевими бандажами.
Залежно від роду первинного двигуна, яким приводиться в обертання синхронний генератор, останній називають гідрогенератором (первинний двигун - гідравлічна турбіна), турбогенератором (первинний двигун - парова турбіна) і дизель-генератором (первинний двигун - дизель).
Конструктивна схема синхронної машини з нерухомим і обертовим якорем.
Гідрогенератори - зазвичай тихохідні явнополюсние машини з великим числом полюсів, що виконуються з вертикальним розташуванням вала. Турбогенератори - швидкохідні неявнополюсного машини, що виконуються в даний час з двома полюсами. Ротор сучасного турбогенератора роблять з цільної сталевий поковки. На частині поверхні ротора вифрезовани пази для розміщення обмотки збудження. Дизель-генератори - явнополюсние машини з горизонтальним розташуванням валу.
Синхронні машини невеликої потужності (до 15 кВА) і невисокої напруги (до 380/220 В) виготовляють з нерухомою полюсной системою і обертовим якорем (подібно машинам постійного струму). Синхронний двигун не має принципових конструктивних відмінностей від синхронного генератора. На статорі двигуна поміщають трифазну обмотку, при включенні якої в мережу трифазного змінного струму створюється обертове магнітне поле. На роторі двигуна розміщують обмотку збудження, що включається в мережу джерела постійного струму.
Струм збудження створює магнітний потік полюсів. Обертове магнітне поле струмів обмотки статора захоплює за собою полюси ротора. При цьому ротор може обертатися тільки з синхронною частотою, т. Е. З частотою, рівній частоті обертання поля статора. Таким чином, частота синхронного двигуна строго постійна, якщо незмінна частота струму мережі живлення.
Основна перевага синхронних двигунів - можливість їх роботи зі споживанням випереджаючого струму, т. Е. Двигун може являти собою ємнісне навантаження для мережі. Такий двигун підвищує cos всього підприємства, компенсуючи реактивну потужність інших приймачів енергії.
Синхронні двигуни мають меншу, ніж у асинхронних, чутливість до зміни напруги мережі живлення, що обертає момент у синхронних двигунів пропорційний напрузі мережі в першого ступеня, тоді як у асинхронних - квадрату напруги.
